JP2023103085A - Underwater wireless communication device - Google Patents

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基彦 能見
Motohiko Nomi
俊昭 脇田
Toshiaki Wakita
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Abstract

To provide a device capable of achieving wireless communication underwater.SOLUTION: An underwater wireless communication device includes a host device 1 configured to transmit radio waves and an underwater device 2 configured to receive the radio waves. The host device 1 and the underwater device 2 include directional underwater antennas 21, 22, respectively, configured to transmit and receive beam-shaped radio waves.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、水中に設置された潜没式装置、あるいは水中を移動する水中移動体、あるいは水面に浮いている船舶などの機器類間で無線通信を行う技術に関し、特に水中での電波の送受信に適した水中アンテナに関する。 The present invention relates to a technology for wireless communication between devices such as a submersible device installed underwater, an underwater mobile object that moves underwater, or a ship floating on the surface of the water, and more particularly to an underwater antenna suitable for transmitting and receiving radio waves underwater.

水中で作動する水中ロボットや水中ドローンなどの水中装置は、一般に、陸上または水面に配置されたホスト装置と通信を行う。例えば、ホスト装置としてのコントローラは、水中ロボットを操作するための操作信号を水中ロボットに送り、水中ロボットは、操作信号を受けて作動する。別の例では、水中ロボットは、水中の対象物の画像を生成し、画像を陸上または水面上のホスト装置に送る。 Underwater devices such as underwater robots and underwater drones that operate underwater generally communicate with host devices located on land or water. For example, a controller as a host device sends an operation signal for operating the underwater robot to the underwater robot, and the underwater robot operates upon receiving the operation signal. In another example, an underwater robot generates an image of an underwater object and sends the image to a host device on land or water.

特開2018-205552号公報JP 2018-205552 A

水中装置およびホスト装置のいずれか一方または両方が可動である場合、移動の制限を低減させる観点から、通信は無線通信の形態であることが望ましい。しかしながら、社会で広く使われているGHz帯域の電波は、水中では激しく減衰するため通信できない。そこで、低い周波数帯域での無線通信が有効と考えられるが、水中での無線通信を実現する装置は未だ確立されていないのが現状である。 If one or both of the underwater device and the host device are mobile, the communication is preferably in the form of wireless communication from the viewpoint of reducing movement restrictions. However, radio waves in the GHz band, which are widely used in society, are severely attenuated in water and cannot be used for communication. Therefore, wireless communication in a low frequency band is considered effective, but the current situation is that no device has been established for realizing wireless communication underwater.

そこで、本発明は、水中での無線通信を実現することができる装置を提供する。 Accordingly, the present invention provides a device capable of realizing wireless communication underwater.

一態様では、水中無線通信装置であって、電波を送信するように構成されたホスト装置と、電波を受信するように構成された水中装置を備え、前記ホスト装置および前記水中装置は、ビーム状の電波を送信および受信するように構成された指向性水中アンテナをそれぞれ備えている、水中無線通信装置が提供される。 In one aspect, there is provided an underwater wireless communication device comprising a host device configured to transmit radio waves and an underwater device configured to receive radio waves, said host device and said underwater device each comprising a directional underwater antenna configured to transmit and receive beams of radio waves.

一態様では、前記指向性水中アンテナは、水中に没している。
一態様では、前記指向性水中アンテナは、パラボラアンテナ、コーナリフレクターアンテナ、およびフェイズドアレーアンテナのうちのいずれかである。
一態様では、前記ホスト装置および前記水中装置のそれぞれは、前記指向性水中アンテナの向きを調整する調整装置を備えている。
一態様では、前記水中無線通信装置は、前記ホスト装置と前記水中装置との間に配置された少なくとも1つの中継装置をさらに備えており、前記中継装置は、前記電波を送受信する複数の指向性水中アンテナを有している。
一態様では、前記ホスト装置は、50~500MHzの帯域内の周波数の電波を送信するように構成されている。
In one aspect, the directional underwater antenna is submerged in water.
In one aspect, said directional underwater antenna is one of a parabolic antenna, a corner reflector antenna and a phased array antenna.
In one aspect, the host device and the underwater device each comprise an adjustment device for adjusting the orientation of the directional underwater antenna.
In one aspect, the underwater wireless communication device further includes at least one relay device disposed between the host device and the underwater device, the relay device having a plurality of directional underwater antennas for transmitting and receiving the radio waves.
In one aspect, the host device is configured to transmit radio waves at frequencies within a band of 50-500 MHz.

本発明によれば、指向性の高い指向性水中アンテナとの間で、ビーム状の電波が送受信される。ビーム状の電波は水中で減衰しにくく、水中を伝播しやすい。したがって、水中での無線通信を実現することができる。さらに、ビーム状の電波は指向性が高いので、電波に重畳した情報の秘匿性が確保できる。 According to the present invention, beam-like radio waves are transmitted and received to and from a directional underwater antenna with high directivity. Beam-like radio waves are difficult to attenuate in water and easily propagate in water. Therefore, underwater wireless communication can be realized. Furthermore, since the beam-like radio wave has high directivity, it is possible to ensure confidentiality of the information superimposed on the radio wave.

水中無線通信装置の一実施形態を示す模式図である。1 is a schematic diagram showing an embodiment of an underwater wireless communication device; FIG. 水中無線通信装置の他の実施形態を示す模式図である。FIG. 3 is a schematic diagram showing another embodiment of an underwater wireless communication device;

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図1は、水中無線通信装置の一実施形態を示す模式図である。図1に示すように、水中無線通信装置は、ホスト装置1および水中装置2を備えている。ホスト装置1は、50~500MHzの帯域内の周波数の電波を送信するように構成されており、水中装置2は、50~500MHzの帯域内の周波数の電波を受信するように構成されている。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic diagram showing an embodiment of an underwater wireless communication device. As shown in FIG. 1, the underwater wireless communication device includes a host device 1 and an underwater device 2. The host device 1 is configured to transmit radio waves with a frequency within the band of 50-500 MHz, and the underwater device 2 is configured to receive radio waves with a frequency within the band of 50-500 MHz.

ホスト装置1は、発振器5、変調器6、増幅器7、およびこれらの構成要素を囲む防水ケーシング8を有している。ホスト装置1が船舶上に配置される場合は、防水ケーシング8は省略されてもよい。水中装置2は、チューナー12、増幅器13、復調器14、およびこれらの構成要素を囲む防水ケーシング15などを有している。ただし、ホスト装置1および水中装置2の構成要素は、本実施形態には限定されない。一実施形態では、ホスト装置1は、50~500MHzの帯域内の周波数の電波を送信および受信するように構成され、水中装置2も、50~500MHzの帯域内の周波数の電波を送信および受信するように構成される。 The host device 1 has an oscillator 5, a modulator 6, an amplifier 7 and a waterproof casing 8 surrounding these components. If the host device 1 is arranged on a ship, the waterproof casing 8 may be omitted. The underwater device 2 includes a tuner 12, an amplifier 13, a demodulator 14, and a waterproof casing 15 surrounding these components. However, the components of the host device 1 and the underwater device 2 are not limited to this embodiment. In one embodiment, the host device 1 is configured to transmit and receive radio waves with frequencies within the band 50-500 MHz, and the underwater device 2 is also configured to transmit and receive radio waves with frequencies within the band 50-500 MHz.

ホスト装置1は、水中または水面上に配置され、水中装置2は水中に配置される。水中装置2の例としては、水中ロボット、水中ドローン、水中撮像装置などが挙げられる。ホスト装置1の例としては、水中装置2の動作を制御するコントローラ、水中装置2から送られてくる画像を表示する画像表示装置などが挙げられる。図1に示す例では、ホスト装置1は、船舶17内に配置されており、可動である。図1に示す水中装置2も、スクリュープロペラなどの推進装置18を備えた可動体である。 The host device 1 is placed underwater or on the water surface, and the underwater device 2 is placed underwater. Examples of the underwater device 2 include underwater robots, underwater drones, and underwater imaging devices. Examples of the host device 1 include a controller that controls the operation of the underwater device 2, an image display device that displays an image sent from the underwater device 2, and the like. In the example shown in FIG. 1, the host device 1 is arranged inside a ship 17 and is movable. The underwater device 2 shown in FIG. 1 is also a movable body provided with a propulsion device 18 such as a screw propeller.

本実施形態において、水中無線通信装置で使用される電波は、50~500MHzの帯域内の周波数を持つ電波である。この周波数帯域の電波は、水中で減衰しにくいという利点がある。電波の周波数は、水中無線通信装置の用途に応じて適宜決定される。例えば、情報量は少ないがロバスト性が必要な通信の場合は、上記帯域内の低周波側の電波が選択される。他の例では、画像などの情報量が多いがホスト装置1と水中装置2との間の距離が短い場合は、上記帯域内の高周波側の電波が選択される。 In this embodiment, radio waves used in the underwater wireless communication device are radio waves having a frequency within the band of 50 to 500 MHz. Radio waves in this frequency band have the advantage of not being easily attenuated in water. The frequency of radio waves is appropriately determined according to the use of the underwater wireless communication device. For example, in the case of communication with a small amount of information but requiring robustness, radio waves on the low frequency side within the above band are selected. In another example, when the amount of information such as images is large but the distance between the host device 1 and the underwater device 2 is short, radio waves on the high frequency side within the above band are selected.

ホスト装置1は指向性水中アンテナ21をさらに有し、水中装置2は指向性水中アンテナ22をさらに有している。指向性水中アンテナ21および指向性水中アンテナ22は、水中に没している。指向性水中アンテナ21および指向性水中アンテナ22は、指向性の高いアンテナである。より具体的には、指向性水中アンテナ21および指向性水中アンテナ22は、ビーム状の電波を発するように構成され、ビーム状の電波を送受信することが可能に構成されている。指向性水中アンテナ21および指向性水中アンテナ22は、パラボラアンテナ、コーナリフレクターアンテナ、およびフェイズドアレーアンテナのうちのいずれかである。 The host device 1 further has a directional underwater antenna 21 and the underwater device 2 further has a directional underwater antenna 22 . Directional underwater antenna 21 and directional underwater antenna 22 are submerged in water. The directional underwater antenna 21 and the directional underwater antenna 22 are highly directional antennas. More specifically, the directional underwater antenna 21 and the directional underwater antenna 22 are configured to emit beam-shaped radio waves, and are configured to be able to transmit and receive beam-shaped radio waves. Directional underwater antenna 21 and directional underwater antenna 22 are any of parabolic antennas, corner reflector antennas, and phased array antennas.

ホスト装置1は、指向性水中アンテナ21の向きを調整する第1調整装置31をさらに有し、水中装置2は、指向性水中アンテナ22の向きを調整する第2調整装置32をさらに有している。一実施形態では、第1調整装置31は、指向性水中アンテナ21を多方向に向けるように構成された多軸アクチュエータを含む。第2調整装置32も、同様に、指向性水中アンテナ22を多方向に向けるように構成された多軸アクチュエータを含む。多軸アクチュエータ自体の構成は公知であるので、その詳細な説明を省略する。 The host device 1 further comprises a first adjusting device 31 for adjusting the orientation of the directional underwater antenna 21 and the underwater device 2 further comprises a second adjusting device 32 for adjusting the orientation of the directional underwater antenna 22 . In one embodiment, first adjustment device 31 includes a multi-axis actuator configured to steer directional underwater antenna 21 in multiple directions. The second adjustment device 32 similarly includes a multi-axis actuator configured to steer the directional underwater antenna 22 in multiple directions. Since the structure of the multi-axis actuator itself is well known, its detailed description will be omitted.

第1調整装置31は、指向性水中アンテナ21を水中装置2の指向性水中アンテナ22に向けるように構成されている。第2調整装置32も、同様に、指向性水中アンテナ22をホスト装置1の指向性水中アンテナ21に向けるように構成されている。したがって、第1調整装置31と第2調整装置32との協働により、指向性水中アンテナ21および指向性水中アンテナ22は、互いに向き合うことが可能である。 The first adjustment device 31 is configured to direct the directional underwater antenna 21 towards the directional underwater antenna 22 of the underwater device 2 . The second adjustment device 32 is similarly configured to direct the directional underwater antenna 22 toward the directional underwater antenna 21 of the host device 1 . Therefore, the cooperation of the first adjustment device 31 and the second adjustment device 32 allows the directional underwater antenna 21 and the directional underwater antenna 22 to face each other.

本実施形態によれば、指向性の高い指向性水中アンテナ21および指向性水中アンテナ22との間で、ビーム状の電波が送受信される。ビーム状の電波は水中で減衰しにくく、水中を伝播しやすい。したがって、水中での無線通信を実現することができる。さらに、ビーム状の電波は指向性が高いので、電波に重畳した情報の秘匿性が確保できる。 According to this embodiment, beam-shaped radio waves are transmitted and received between the directional underwater antenna 21 and the directional underwater antenna 22 with high directivity. Beam-like radio waves are difficult to attenuate in water and easily propagate in water. Therefore, underwater wireless communication can be realized. Furthermore, since the beam-like radio wave has high directivity, it is possible to ensure confidentiality of the information superimposed on the radio wave.

50~500MHzの帯域から選択された電波によってホスト装置1と水中装置2との間で送受信される信号は、アナログ信号であってもよいし、またはデジタル信号であってもよい。 Signals transmitted and received between the host device 1 and the underwater device 2 by radio waves selected from a band of 50 to 500 MHz may be analog signals or digital signals.

図2に示すように、水中無線通信装置は、ホスト装置1と水中装置2との間に配置された少なくとも1つの中継装置35をさらに備えてもよい。中継装置35は、水中に配置される。図2に示す実施形態では、3つの中継装置35が水中に配置されているが、中継装置35の数は本実施形態に限定されない。 As shown in FIG. 2 , the underwater wireless communication device may further comprise at least one relay device 35 arranged between the host device 1 and the underwater device 2 . The relay device 35 is arranged underwater. In the embodiment shown in FIG. 2, three relay devices 35 are arranged underwater, but the number of relay devices 35 is not limited to this embodiment.

各中継装置35は、電波を送受信する複数の指向性水中アンテナ36を有している。各中継装置35は、複数の指向性水中アンテナ36のうちの1つで電波を受信し、他の指向性水中アンテナ36から電波を発信するように構成されている。各指向性水中アンテナ36は、上述した指向性水中アンテナ21および指向性水中アンテナ22と同じ構成を有している。すなわち、指向性水中アンテナ36は、パラボラアンテナ、コーナリフレクターアンテナ、およびフェイズドアレーアンテナのうちのいずれかである。 Each repeater 35 has a plurality of directional underwater antennas 36 for transmitting and receiving radio waves. Each repeater 35 is configured to receive radio waves with one of a plurality of directional underwater antennas 36 and transmit radio waves from the other directional underwater antennas 36 . Each directional underwater antenna 36 has the same configuration as the directional underwater antenna 21 and the directional underwater antenna 22 described above. That is, the directional underwater antenna 36 is one of a parabolic antenna, a corner reflector antenna, and a phased array antenna.

各中継装置35は、複数の指向性水中アンテナ36の向きをそれぞれ調整する複数の調整装置37を備えている。各調整装置37は、指向性水中アンテナ36を、ホスト装置1、他の中継装置35、または水中装置2のいずれかの指向性水中アンテナに向けるように構成されている。ホスト装置1から発信された電波は、中継装置35を経由して水中装置2に到達する。同様に、水中装置2から発信された電波は、中継装置35を経由してホスト装置1に到達する。本実施形態によれば、ホスト装置1と水中装置2との距離を長くすることができる。 Each repeater 35 has a plurality of adjusting devices 37 for adjusting the orientations of the plurality of directional underwater antennas 36, respectively. Each adjustment device 37 is configured to direct a directional underwater antenna 36 to a directional underwater antenna of either the host device 1 , another relay device 35 , or the underwater device 2 . Radio waves transmitted from the host device 1 reach the underwater device 2 via the relay device 35 . Similarly, radio waves emitted from the underwater device 2 reach the host device 1 via the relay device 35 . According to this embodiment, the distance between the host device 1 and the underwater device 2 can be increased.

上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。 The above-described embodiments are described for the purpose of enabling a person having ordinary knowledge in the technical field to which the present invention belongs to implement the present invention. Various modifications of the above embodiments can be made by those skilled in the art, and the technical idea of the present invention can be applied to other embodiments. Accordingly, the present invention is not limited to the described embodiments, but is to be construed in its broadest scope in accordance with the technical spirit defined by the claims.

1 ホスト装置
2 水中装置
5 発振器
6 変調器
7 増幅器
8 防水ケーシング
12 チューナー
13 増幅器
14 復調器
15 防水ケーシング
17 船舶
18 推進装置
21 指向性水中アンテナ
22 指向性水中アンテナ
31 第1調整装置
32 第2調整装置
35 中継装置
36 指向性水中アンテナ
37 調整装置
1 Host Device 2 Underwater Device 5 Oscillator 6 Modulator 7 Amplifier 8 Waterproof Casing 12 Tuner 13 Amplifier 14 Demodulator 15 Waterproof Casing 17 Ship 18 Propulsion Device 21 Directional Underwater Antenna 22 Directional Underwater Antenna 31 First Adjustment Device 32 Second Adjustment Device 35 Relay Device 36 Directional Underwater Antenna 37 Adjustment Device

Claims (6)

水中無線通信装置であって、
電波を送信するように構成されたホスト装置と、
電波を受信するように構成された水中装置を備え、
前記ホスト装置および前記水中装置は、ビーム状の電波を送信および受信するように構成された指向性水中アンテナをそれぞれ備えている、水中無線通信装置。
An underwater wireless communication device,
a host device configured to transmit radio waves;
comprising an underwater device configured to receive radio waves;
An underwater wireless communication device, wherein the host device and the underwater device each comprise a directional underwater antenna configured to transmit and receive beams of radio waves.
前記指向性水中アンテナは、水中に没している、請求項1に記載の水中無線通信装置。 2. An underwater radio communication device according to claim 1, wherein said directional underwater antenna is submerged in water. 前記指向性水中アンテナは、パラボラアンテナ、コーナリフレクターアンテナ、およびフェイズドアレーアンテナのうちのいずれかである、請求項1または2に記載の水中無線通信装置。 3. The underwater radio communication device according to claim 1, wherein said directional underwater antenna is one of a parabolic antenna, a corner reflector antenna and a phased array antenna. 前記ホスト装置および前記水中装置のそれぞれは、前記指向性水中アンテナの向きを調整する調整装置を備えている、請求項1乃至3のいずれか一項に記載の水中無線通信装置。 4. An underwater radio communication device according to any one of claims 1 to 3, wherein each of said host device and said underwater device comprises an adjustment device for adjusting the orientation of said directional underwater antenna. 前記ホスト装置と前記水中装置との間に配置された少なくとも1つの中継装置をさらに備えており、
前記中継装置は、前記電波を送受信する複数の指向性水中アンテナを有している、請求項1乃至4のいずれか一項に記載の水中無線通信装置。
further comprising at least one relay device positioned between the host device and the underwater device;
5. The underwater wireless communication device according to claim 1, wherein said relay device has a plurality of directional underwater antennas for transmitting and receiving said radio waves.
前記ホスト装置は、50~500MHzの帯域内の周波数の電波を送信するように構成されている、請求項1乃至5のいずれか一項に記載の水中無線通信装置。 The underwater wireless communication device according to any one of claims 1 to 5, wherein said host device is configured to transmit radio waves with a frequency within a band of 50-500 MHz.
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